直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究.ppt

直流电弧等离子体发生器的数值模拟及电子束离子阱物理研究 袁行球 2003.12.9 论文组成部分 直流电弧等离子体发生器的数值模拟 等离子体射流的数值模拟 等离子体炬的数值模拟 高价态离子在EBIT随时间演化过程的数值模拟 直流电弧等离子体发生器中的主要物理过程 等离子体电流产生的感应磁场和电流的相互作用 等离子体发生器内存在强焦耳加热效应 高温等离子体的输运系数是非线性的，通常和等离子体温度和压力有关 等离子体发生器内部的等离子体流动处于湍流流动状态 基本假定 等离子体处于局部热力学平衡 ( LTE )状态 阴极和阳极附近区域的复杂物理过程采用简化模型来考虑 等离子体的工作气体均为纯氩气 ( 特别的说明除外 )，不考虑化学反应非平衡的影响。 和轴向速度相比，旋转气体的速度很小，本文不考虑旋转进气的影响 等离子体的辐射可以用体辐射系数来表示。 数学模型 湍流模型 数值求解方法 上述方程很复杂，无法得到解析解 各个方程结构相似，都包含对流项、扩散项和源项 方程为非线性的，比如对流项有三个应变量，是三次项。非线性的方程需要用迭代的方法求解 本文采用SIMPLE类算法来求解上述方程组 SIMPLE 类算法的求解步骤 假设一个速度分布，以此计算动量离散方程中的系数以及常数项 假设一个压力场分布 依次求解动量方程 求解压力修正值方程，得到压力修正值 根据求解得到压力修正值改进速度值 利用改进后的速度场求解那些通过源项、物性等与速度耦合的变量 利用改进后的速度场从新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压力场作为下一层顶点计算的初值。重复上述步骤，直到得到收敛解为止 等离子体射流的数值模拟 不同环境气体中的等离子体射流特性研究 超音速等离子体射流 等离子体炬的数值模拟 标准结构阳极等离子体炬的二维以及三维模拟 收缩-发散形状阳极等离子体炬的模拟 阶梯形状阳极等离子体炬的模拟 不同形状阳极等离子体炬内部流场特性的比较性研究 高价态离子在EBIT中演化过程的模拟 物理模型的改进 和LLNL实验结果的比较验证 参数研究 三维数值模拟 阶梯形状阳极结构等离子体炬的模拟 比较性研究 超音速等离子体射流的数值模拟 模型的改进 由于高价态粒子在强磁场中，受强磁场的约束，不考虑高价态粒子的径向逃逸以及由此而带来的能量损失。 考虑了漂移管几何位形、高能电子束的空间电荷累积效应对轴向势的修正。 考虑了高价态粒子在电子束半径内不同位置电离时所具有的附加加热效果。 演化方程 轴向势的影响 中性气体密度的影响 电子束电流密度的影响 和 LLNL 实验的比较 The end Thanks Case Tmax (K) Tom (K) Umax (m/s) Uom (m/s) Vcal (V) Vexp. (V) 3D 23,015 14,930 1,698 1,660 39.0 42.0 2D 27,192 18,051 3,087 3,002 40.2 42.0 超音速等离子体炬的数值模拟 Case Net Power Current (A) Gas inflow L/min Thermal Efficiency Torch 1 40 KW 600 50 61.3% Torch 2 80 KW 900 150 56.7% Torch 3 80 KW 900 150 51.4% 湍流的影响 EBIT物理研究 * * Case No. 电流 ( A ) 功率( W ) 电压 ( V ) 最高温度 ( K ) 实验 计算 炬内 出口 B 24 250 1,380 19.44 17.92 16,989 11,279 B 28 500 2,970 19.92 18.12 17,395 11,663 B 32 750 4,740 20.44 19.26 22,141 12,661 Idaho 国家工程实验室实验用等离子体炬及其产生的等离子体射流的数值模拟 250A,15.1 l/min STP 500A,15.1 l/min STP 750A,15.1 l/min STP 湍流的影响 参数研究